01 導(dǎo)讀

保偏光纖（PMF）是一種專門為維持輸入光的偏振狀態(tài)而設(shè)計(jì)的光波導(dǎo)，在幾十年間已引起了人們廣泛的興趣。盡管PMF在制造過程中引入了較強(qiáng)的固有雙折射（birefringence），但由于外界因素，一些微弱的隨機(jī)雙折射波動也同時(shí)存在。在一些特殊應(yīng)用場景如光纖陀螺儀、光纖傳感及基于PMF隨機(jī)雙折射效應(yīng)的隨機(jī)數(shù)生成等，都需要提前預(yù)知雙折射波動的分布情況，以達(dá)成更高的精度及更準(zhǔn)確的調(diào)控效果。目前，PMF的分布式雙折射測量方法大多依賴于布里淵動態(tài)光柵（BDG）技術(shù)，但是受限于長距離范圍下縱向聲場及泵浦光的損耗，測量范圍一般受限于兩公里以內(nèi)難以進(jìn)一步拓展。

加拿大渥太華大學(xué)Xiaoyi Bao院士研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于光頻梳（OFC）及分布式布里淵放大（DBA）技術(shù)結(jié)合的分布式雙折射傳感方案，在DBA技術(shù)的輔助下，可以在超長距離的PMF中通過聲子-光子耦合激發(fā)的縱向聲場，結(jié)合窄線寬激光器產(chǎn)生的OFC來產(chǎn)生和解調(diào)放大的BDG，獲得了精度為 7.5×10-9 的分布式光纖雙折射的測量，傳感長度超過7 km，是目前所報(bào)道的最長光纖距離的兩倍以上。

該結(jié)果為研究非線性光學(xué)效應(yīng)引起的弱雙折射變化以及光纖網(wǎng)絡(luò)安全的監(jiān)測提供了新方案。研究成果以“Distributed birefringence sensing at 10-9 accuracy over ultra-long PMF by optical frequency comb and distributed Brillouin amplifier”為題發(fā)表于在國際著名期刊Optics Express，論文的第一作者及通訊作者為Pedro Tovar。

02 研究背景

PMF在分布式溫度和應(yīng)變傳感、環(huán)境聲阻抗檢測 、隨機(jī)光纖激光器、超寬帶通信、超快光學(xué)和量子通信等領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用，并且隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)展及深入，人們對于長距離PMF上雙折射分布的精細(xì)測量需求越來越大。基于BDG技術(shù)可實(shí)現(xiàn)光纖雙折射的測量，其基本原理是，兩束頻差等于光纖布里淵頻移 νB 的線性偏振泵浦光及斯托克斯光相向注入到PMF的同一個(gè)主軸（y軸），通過受激布里淵散射（SBS）激發(fā)頻率為 νB 的縱向相干聲波，該移動聲波對纖芯折射率進(jìn)行調(diào)制并等效為一個(gè)動態(tài)光柵。

當(dāng)另一束偏振態(tài)與泵浦光正交的探測光與其同向注入PMF的另一個(gè)主軸（x軸）上，BDG就會對探測光形成散射，當(dāng)兩者的頻率差恰為 Δν = νPΔn/nx 時(shí)，由于滿足了相位匹配條件，就會產(chǎn)生最強(qiáng)的反射光（稱為空轉(zhuǎn)波），其中νP是高能泵浦光的光頻，nx為x軸上的群折射率。兩者的頻差 Δν 又稱為雙折射頻移，它與PMF的光纖雙折射系數(shù) Δn之間存在線性關(guān)系， 通過掃描探測光的頻率，并檢測空轉(zhuǎn)波的信號強(qiáng)度，其最強(qiáng)時(shí)獲得雙折射頻移， 即實(shí)現(xiàn)雙折射 Δn 的測量。

同時(shí)，BDG的產(chǎn)生隨泵浦光的注入逐步建立，通過測量空轉(zhuǎn)波的接收時(shí)間，就可以獲得相關(guān)的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)雙折射的分布式測量。根據(jù)泵浦脈沖與CW光之間能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，BDG產(chǎn)生中的SBS過程有布里淵增益及布里淵損耗兩種方式。兩種方式獲得BDG均是在短距離內(nèi)均勻存在的，這使得分布式測量范圍受限。

因此，該課題組提出使用DBA泵浦技術(shù)，在與布里淵增益方式相同的條件下，在CW光一側(cè)加入高能（高頻）的分布式泵浦，引入第二個(gè)SBS增益過程，以此向傳輸中的泵浦脈沖進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移，補(bǔ)償其在長距離傳輸后的能量損失，從而形成更長距離的BDG，擴(kuò)展光纖分布式測量范圍。同時(shí)，為了避免激光器頻率不穩(wěn)定帶來的測量誤差并提升探測精度，該課題組提出使用一個(gè)簡單的OFC，從同一個(gè)激光器中產(chǎn)生相應(yīng)的泵浦光、斯托克斯光以及探測光可在更高頻的范圍內(nèi)對探測光進(jìn)行穩(wěn)定掃頻。

03 創(chuàng)新研究

3.1 理論研究

首先，作者通過數(shù)值仿真分析了布里淵增益、布里淵損耗和DBA三種不同方式產(chǎn)生的縱向聲波的強(qiáng)度分布，如圖1（a）所示。作者計(jì)算了長度L = 10 km下，四種不同脈沖功率下泵浦脈沖和CW光的功率分布，其中，光纖設(shè)定為PMF，衰減系數(shù)為典型值0.4 dB/km。由圖1（b）可知，隨著泵浦脈沖功率的增加，CW光得到了更高的增益，但僅集中在最初幾公里，光纖尾端的增益幾乎為零。

產(chǎn)生的聲波強(qiáng)度僅在前幾公里較強(qiáng)，但在傳輸較長距離時(shí)聲波能量急劇下降，如圖1（c）所示。這種弱聲波對光纖的折射率調(diào)制深度較小，因而反射光波也僅在前幾公里處產(chǎn)生，不利于長距離測量。布里淵損耗技術(shù)中，泵浦光注入方式與布里淵增益技術(shù)方式相似，兩光的頻差保仍為 νB 。不同的是泵浦脈沖的頻率低于CW光，如圖1（d）所示。仿真中將泵浦脈沖功率固定為0.1 mW，CW光功率在1 ~ 4 mW之間變化，光纖的長度及衰減系數(shù)與布里淵增益技術(shù)仿真使用參數(shù)相同。

與布里淵增益技術(shù)相反，泵浦脈沖功率隨著CW光功率的增加而增加，而聲波強(qiáng)度則隨距離的增大而增強(qiáng)，如圖1（e） （f）所示。雖然在 z = L 處獲得了比布里淵增益技術(shù)在z = 0處更強(qiáng)的聲波，但由于PMF對CW光的衰減，仍阻止了強(qiáng)聲波在整個(gè)光纖長度上的均勻形成。

圖1 不同SBS方式之間的比較：布里淵增益、布里淵損耗和布里淵分布式放大。（a） （d） （g）給出了三種技術(shù)的基本原理；（b） （e） （h）光波在10 km長的PMF上的功率分布，（c） （f） （i）CW光與泵浦脈沖相互作用產(chǎn)生的聲波分布

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.466212 （Fig. 1）

DBA原理如圖1（g）所示。在布里淵增益技術(shù)的前提下，一個(gè)頻率為 νDBA 的DBA泵浦光被注入到PMF中，通過SBS過程補(bǔ)償在光纖傳輸中的衰減及泵浦脈沖SBS過程的損耗。

泵浦脈沖與DBA泵浦相互作用，向脈沖泵浦光轉(zhuǎn)移能量的同時(shí)產(chǎn)生第二個(gè)聲波， νDBA 和 νP 滿足 νDBA - νP = νB。三種光波的功率分布如圖1（h）所示。與布里淵增益情況不同，脈沖功率隨距離的增加而增加，CW光功率沿光纖幾乎保持不變。

聲波強(qiáng)度的分布與布里淵增益型及布里淵損耗型均不同，如圖1（i）所示，沿著10 km的PMF幾乎均勻分布。因此，在DBA泵浦技術(shù)輔助下分布式雙折射測量可以獲得更長的距離。

DBA泵浦技術(shù)輔助下的測量原理如圖所示2所示。泵浦脈沖和探測脈沖從 PMF的一端入射，而DBA泵浦和CW光則從另一端入射。探測脈沖在與泵浦脈沖的頻差滿足匹配條件時(shí)，即νpr - νP = νΔn（z，t）/n 的條件下，產(chǎn)生能量最強(qiáng)且頻率為 νid 的空轉(zhuǎn)波。

通過掃描探測脈沖的頻率，檢測產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)波的反射譜，即可獲得BDG的光譜特性，從而實(shí)現(xiàn)PMF的分布式雙折射。在上述的原理中，y軸上入射的三個(gè)光波之間的相互作用可等效于一個(gè)類似三能級的激光系統(tǒng)。

DBA泵浦作為最高能級，連續(xù)不斷地放大在較低能級的泵浦脈沖以提供穩(wěn)定的光子數(shù)用來放大最低能級CW光。只要有足夠的DBA泵浦，連續(xù)的聲波可以有效維持，就可以形成BDG散射探測脈沖的理想條件，用于超長距離分布式雙折射測量。

圖2 DBA泵浦輔助下超長距離分布式雙折射測量原理

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.466212 （Fig. 2）

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

高精度DBA輔助下的分布式雙折射測量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。泵浦脈沖、CW光以及探測脈沖均由從一個(gè)5 kHz線寬的窄線寬分布反饋（DFB）激光形成OFC提供。DFB通過電光調(diào)制器（EOM）與一個(gè)相位調(diào)制器（PM）級聯(lián)進(jìn)行調(diào)制，以此形成頻梳間隔為 νB 的具有多條高頻穩(wěn)定激光梳線的OFC。該設(shè)置靈活性高，容易地調(diào)整以匹配任何PMF的布里淵頻移，同時(shí)保持光波之間的高頻穩(wěn)定性。

圖3 DBA輔助下分布式雙折射測量的實(shí)驗(yàn)裝置

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.466212 （Fig. 3）

OFC輸出被放大并分成兩個(gè)分支，上部分的分支是用于產(chǎn)生脈沖探測光，下部分則是用于產(chǎn)生泵浦脈沖和CW光。上分支采用光帶通濾波器（OBPF1）選擇一個(gè)比泵浦脈沖頻率高 6νB 梳狀線作為探測光，此探測光由EOM1進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，其頻率使用電子射頻合成器從0 ~ 40 GHz范圍進(jìn)行調(diào)諧。下分支中，OBPF3將兩條相鄰的作為泵浦光和CW光的梳狀線過濾出來，通過環(huán)形器導(dǎo)入到光纖布拉格光柵（FBG1），此光柵反射泵浦光而透射CW光。

透射的CW光被放大，通過PC后，與DBA泵浦經(jīng)過1×2耦合器耦合，經(jīng)PBS對準(zhǔn)PMF的y軸。DBA泵浦由第二個(gè)DFB激光器通過任意波形發(fā)生器（AWG）進(jìn)行三角波信號調(diào)制產(chǎn)生，在 νP附近產(chǎn)生一個(gè)接近1 GHz的平坦增益分布的頻率啁啾，此范圍覆蓋泵浦脈沖的光譜寬度及 νB對于應(yīng)力/溫度隨機(jī)波動造成的任何偏差。最后，通過環(huán)形器采集從x軸反射回來的散射信號，并在檢測前進(jìn)行放大。

使用OBPF4將背向散射信號中的瑞利散射探測信號濾掉，剩余的空轉(zhuǎn)波在光電探測器（PD）上檢測。

3.3保偏光纖的分布式雙折射測量

作者使用兩種熊貓型的PMF級聯(lián)并進(jìn)行測試，它們分別長2.1 km和5 km。兩種光纖的布里淵頻移略有不同，分別為 νB2km = 10.34 GHz，和νB5km = 10.27 GHz 。OFC的設(shè)置與 νB5km 匹配。泵浦脈沖和探測脈沖的寬度分別為200 ns和50 ns，而探測脈沖延遲150 ns，以預(yù)先補(bǔ)償偏離效應(yīng)，對應(yīng)測量的空間分辨率約為5 m。

圖4 （a）使用DBA泵浦和（d）不使用DBA泵浦的兩個(gè)級聯(lián)PMF的分布式雙折射測量。（b） （c）代表使用DBA泵浦技術(shù)下兩種光纖雙折射波動范圍的放大圖；（e） （f）代表不使用DBA泵浦技術(shù)下兩種光纖雙折射波動范圍的放大

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.466212 （Fig. 4）

測量的結(jié)果如圖4（a）-（c） 所示，在7.1 km范圍內(nèi)觀察到級聯(lián)PMF的雙折射分布，雙折射的范圍為1.4 × 10?4（18 GHz），精度為7.5 × 10?9（1 MHz）。這種超高精度來自于從同一激光源調(diào)制后產(chǎn)生的泵浦脈沖及探測脈沖，它們的頻移能精確控制在1MHz。通過50個(gè)測量光譜中，計(jì)算出的特定位置的空轉(zhuǎn)波峰值，獲得測量的雙折射的標(biāo)準(zhǔn)偏差為4 MHz，表明1 MHz的頻率步長在允許合理的測量時(shí)間的前提下，足以實(shí)現(xiàn)高精度和高重復(fù)性的測量。

作為對比，作者在沒有DBA泵浦的情況下進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖4（d）-（f）所示。僅在最初幾百米的光纖中檢測到強(qiáng)的空轉(zhuǎn)波信號，其強(qiáng)度隨距離呈指數(shù)迅速衰減。

圖5 （a）不同距離下歸一化的空轉(zhuǎn)波功率積分；（b）計(jì)算相應(yīng)聲波強(qiáng)度的分布

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.466212 （Fig. 5）

接著，作者分析了不同光纖位置歸一化的空轉(zhuǎn)波功率積分，如圖5（a）所示，總體上，空轉(zhuǎn)波強(qiáng)度隨距離的增加而衰減，均勻分布的聲波導(dǎo)致了恒定的后向散射系數(shù)，與OTDR的散射曲線非常相似。結(jié)果顯示，空轉(zhuǎn)波在第一段PMF傳播時(shí)的光纖損耗為0.8 dB/km，與光纖的平均功率衰減相匹配。在第二段PMF中，平均功率衰減約為0.25 dB/km，這是由于DBA泵的作用，最終有效補(bǔ)償了部分光纖損耗，損耗降低了0.55 dB。

圖6 （a）在231 m處有/無DBA泵浦條件下的雙折射測量頻譜圖；（b）兩種不同方式在前500米內(nèi)測得的雙折射頻移峰值分布對比；（c）以DBA為參考的分布式雙折射測量

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.466212 （Fig. 6）

這項(xiàng)工作的最后，作者分析了增加DBA泵浦對雙折射測量的噪聲影響，如圖6（a）所示。在待測光纖的231 m位置處，觀測到有/無DBA泵浦的雙折射頻移譜圖幾乎重合，包含了主導(dǎo)的雙折射頻移峰值與多個(gè)邊峰，兩種測量結(jié)果顯示出相近的標(biāo)準(zhǔn)偏差。接著，作者在500 m內(nèi)的每個(gè)位置上取空轉(zhuǎn)波的峰值，在有/無DBA泵浦的情況，對兩者雙折射頻移-位置圖進(jìn)行比較。

如圖6（b）所示，盡管存在弱的雙折射時(shí)域波動導(dǎo)致的微小差別，兩種情況下的峰值雙折射頻移幾乎一致，由此可見當(dāng)系統(tǒng)中包含DBA泵浦時(shí)，雙折射測量結(jié)果沒有引入額外的噪聲。最后，作者分析噪聲沒有增加的原因有兩方面，一是因?yàn)镈BA泵浦與泵浦脈沖產(chǎn)生的聲波場與泵浦脈沖及CW泵浦產(chǎn)生的聲波是反向的，不會引入額外的噪聲；二是單一窄線寬激光源的使用保證了布里淵增強(qiáng)四波混頻中涉及的光波之間的頻率間隔需滿足相位匹配，最終使得DBA技術(shù)沒有表現(xiàn)出顯著的噪聲引入。

04 應(yīng)用與展望

該論文工作提出一種DBA泵浦技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度長距離的分布式雙折射測量方法。DBA泵浦技術(shù)有效補(bǔ)償了光纖損耗并獲得均勻分布的聲波，進(jìn)而拓展PMF中分布雙折射測量的距離。同時(shí)結(jié)合OFC技術(shù)，從單一激光器產(chǎn)生泵浦光、斯托克斯光及探測光，避免了使用復(fù)雜的頻率鎖定回路和多個(gè)激光源帶來的測量誤差，獲得了更高的探測精度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DBA泵浦的功率可以補(bǔ)償泵浦光在傳輸過程中部分的光纖衰減，有效增強(qiáng)長距離光纖中布里淵動態(tài)光柵聲波場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)長距離PMF中的分布式雙折射測量。這種高精度長距離的測量技術(shù)，在研究由于非線性光學(xué)效應(yīng)引起的微小雙折射變化和監(jiān)視光纖網(wǎng)絡(luò)被竊聽情況有潛在應(yīng)用前景。

文章信息：

Pedro Tovar， Yuan Wang， Liang Chen， and Xiaoyi Bao， “Distributed birefringence sensing at 10-9 accuracy over ultra-long PMF by optical frequency comb and distributed Brillouin amplifier，” Optics Express， 2022， 30（18）： 33156-33169.

論文地址：

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm？uri=oe-30-18-33156&id=495650

https://doi.org/10.1364/OE.466212

審核編輯 ：李倩